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GESTION DES DECHETS 2 Dr Emilienne Laure NGAHANE TECHNIQUES DE TRAITEMENT ET DE

GESTION DES DECHETS 2 Dr Emilienne Laure NGAHANE TECHNIQUES DE TRAITEMENT ET DE GESTION DES DECHETS Janvier 2021 Techniques de valorisation des déchets solides TECHNIQUES DE VALORISATION DES DSM Méthanisation I. Généralités II. Déchets méthanisables III. Microbiologie IV. Etapes de la digestion anaérobie V. Le Procédé Compostage I. Généralités II. Déchets compostables III. Microbiologie IV. Etapes de la digestion aérobie V. Le procédé Valorisation matière I. Généralités II. Tri III. Plastique et caoutchouc IV. Papier et carton V. Verre VI. Métaux VII. Huiles VIII. Piles et accumulateurs IX. DEEE X. Inertes METHANISATION GENERALITES DECHETS METHANISABLES MICROBIOLOGIE ETAPES DE LA DIGESTION ANAEROBIE LE PROCEDE Structure du procédé Prétraitement des déchets Digesteur Valorisation du biogaz Valorisation du digestat I. GENERALITES… Bio-méthanisation : digestion des déchets à travers divers mécanismes biologiques de dégradation des matières organiques en absence d’oxygène Produits : biogaz + digestat Matières organiques fermentescibles DEGRADATION « ANAEROBIE » BIOGAZ Méthane (CH4) + Dioxyde de carbone (CO2) DIGESTAT Matière organique « stabilisée » …GENERALITES… Le biogaz : composition 50 – 80% CH4 (Inflammable) ; 15 – 45% CO2 (Inerte) ; 0 - 5 % H2O, H2S, CO, N2O(Impuretés) Le biogaz : Excellent combustible PCI de 1 Nm3 de biogaz à 60% de CH4 = 22 MJ : FILIERE ENERGETIQUE 0,56 l Mazout ; 0,65 l Fuel ; 0,21 m3 Propane Le biogaz : Redoutable GES CH4, CO2, N2O piègent une part d’énergie solaire : réchauffement 1 kg N2O = 310 éq. kg CO2 et 1 kg CH4 = 21 éq. kg CO2 Or CO2 produit lors de la combustion du biogaz n’a pas d’impact sur l’effet de serre !!! collecter et brûler le biogaz : FILIERE ENVIRONNEMENTALE Biogaz = Vecteur énergétique qui pollue lorsqu’on ne s’en sert pas ! …GENERALITES Le digestat : résidu ultime stabilisé et désodorisé Le digestat : composition Fraction liquide azotée (azote ammoniacal) : fertilisant azoté potentiel Fraction solide fibreuse (matière organique) : amendement potentiel Le digestat : qualité Présence éventuelle de métaux lourds et de matières organiques non dégradables, etc. FILIERE AGRONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTALE Digestat = intrant potentiellement valorisable en agriculture II. DECHETS METHANISABLES… Diversité des déchets bio-méthanisables AGRICULTURE Lisiers et fumiers Résidus de cultures Cultures algales Cultures énergétiques COMMUNAUTES Déchets ménagers Déchets de cuisine Déchets verts Boues des stations d’épuration INDUSTRIES  Boissons  Laiteries/fromageries  abattoirs/charcuteries  Papier et pâte à papier  Huileries  Sucre  Produits de fermentation …DECHETS METHANISABLES… Caractéristiques chimiques du déchet Facteurs déterminant la Traitabilité, la production du méthane, la qualité du sous-produit La matière sèche : évaporation de l’eau à 105°C pendant 24h MS = 100*Poids sec/Poids total La matière organique : Matière sèche volatile : oxydation à 450°C pendant 12h éliminant le carbone organique MSV = 100*Poids volatilisé/Poids sec Le carbone organique : oxydation en présence de bicarbonate de potassium à 100°C %C = 100*(Poids volatilisé/Poids sec)/1,7 La matière azotée : C/N : 20-30 Proche de 100/5 caractéristique de la composition des microorganismes La matière minérale : fertilisants (P, K, Ca, Mg) ; métaux lourds (Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn, …) Teneur en cendres : oxydation à 850-1000°C éliminant le carbone organique et minéral …DECHETS METHANISABLES… Caractéristiques physiques du déchet Facteurs influençant la traitabilité, les techniques de pompage et de mélange Taille Densité Les fractions inertes et celles faiblement fermentescibles en raison de leur taille (plastiques, caoutchouc, verres, métaux, pierres, sables, bois, écorces, racines) : Peuvent être évitées par une collecte sélective à la source Peuvent être séparées en amont (pré-traitement) ou en aval (post-traitement) du process …DECHETS METHANISABLES CLASSE CATEGORIE %MS %MSV C/N SPECIFICITE COMMENTAIRE DECHETS MENAGERS Déchets alimentaires 50-55 40-50 20-50 Déchets humides Intéressants mais associés à 50% de matières inertes ou toxiques si collectés en vrac Herbes/fourrage 20-25 90 15-25 Feuilles/branches 60-70 90 100-150 Cartons ̴ 95 90 400-500 Déchets secs Jamais utilisés seuls Papiers ̴ 95 90 300-900 DECHETS AGRICOLES Lisier porcin 2-8 70-80 3-10 Déchets les plus liquides Excès d’azote à combler par mélange avec des déchets au C/N supérieur Lisier aviaire 10-30 70-80 3-10 Fumier porcin 20-30 70-80 ̴ 10 Déchets les plus chargés Fumier aviaire 30-35 70-80 ̴ 10 III. MICROBIOLOGIE… Les processus anaérobiques microbiens se distinguent par le fait que : Matière organique = source de carbone (substrat énergétique réducteur) Matière organique = accepteur final d’électrons (oxydant) Processus hétérotrophe anaérobie L’énergie récupérée lors d’une transformation hétérotrophe anaérobie est 10 à 40 fois moindre que celle récupérée lors d’une transformation aérobie de la même substance Substance ΔH Aérobie ΔH Anaérobie Rapport Urée CO(NH2)2 - 12,4 - 1,5 8,3 Acide butyrique CH3CH2CH2COOH - 23,9 - 0,6 40 ΔH (KJ/Kg) : énergie dégagée par la réaction de transformation …MICROBIOLOGIE Deux conséquences Les micro-organismes anaérobies ont une croissance moindre et produiront moins de nouvelles cellules : moins de « boues » L’énergie chimique non utilisée par ces micro-organismes se retrouve dans un produit gazeux à haut contenu énergétique : le CH4 AEROBIE C dans C02 C dans Boues C résiduel C Bio. 100 % 42% 48% 10% ANAEROBIE C dans biogaz (CH4 + C02) C dans Boues C résiduel C Bio. 100 % 76% 4% 20% IV. ETAPES DE LA DIGESTION ANAEROBIE… Composition de la fraction organique des déchets Sucres (saccharose, glucose, fructose…) Lipides (graisses, huiles) Protéines Polysaccharides (hémicellulose, cellulose…) Polymères polyphénoliques (lignine) Objectif de la digestion : transformation de la plus grande partie de ces molécules en CH4, CO2 et H2O (+NH3, H2S, etc. selon la présence de matières azotées, sulfatées, etc.) Résidus de la digestion (substances peu ou pas dégradables) : Digestat de structure fibreuse Biodégradabilité décroissante …ETAPES DE LA DIGESTION ANAEROBIE… LES ETAPES HYDROLYSE Solubilisation de la matière organique afin de la rendre assimilable par la flore microbienne ACIDOGENESE Transformation des monomères par les bactéries fermentatives en AGV, acétate, hydrogène et carbonates ACETOGENESE Oxydation des AGV par les bactéries acétogènes en acétate, hydrogène et carbonates METHANOGENESE Assimilation de l’acétate, hydrogène et carbonates par les bactéries méthanigènes …ETAPES DE LA DIGESTION ANAEROBIE… ETAPE 1 : HYDROLYSE Hydrolyse enzymatique : plus lent mais simple et moins couteuse à mettre en œuvre Enzymes hydrolytiques (hydrolases) produites naturellement par la flore microbienne Hydrolyse chimique (acide, basique, thermique) : rapide et plus efficace Hydrolyse acide : traitement à chaud de la MO en présence d’acide sulfurique Tous les composés sont transformés en molécules solubles sauf la lignine …ETAPES DE LA DIGESTION ANAEROBIE… ETAPE 2 : ACIDOGENESE Action des bactéries fermentantes AGV Acétate Propionate : C2H5CO2H Butyrate : C3H7CO2H Lactate : CH3CHOHCO2H Acétate : CH3CO2H Hydrogène : H2 Carbonates : CO2 Chute du pH par production d’acides , chute du rH par production d’hydrogène …ETAPES DE LA DIGESTION ANAEROBIE… ETAPE 3 : ACETOGENESE Étape lente où les acitogènes oxydent les AGV (Propionate, Butyrate, Lactate) pour éviter leur accumulation et l’empoisonnement du digesteur (par le Propionate essentiellement) Acétate : CH3CO2H Hydrogène : H2 Carbonates : CO2 ETAPE 4 : METHANOGENESE Seule étape spécifique à la production de méthane par les méthanogènes Mécanisme hétérotrophe (acétoclastique) : CH3CO2H CH4 + CO2 Mécanisme autotrophe (hydrogénotrope) : CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O INFLUENCE DES CONDITIONS OPERATOIRES TEMPERATURE Zone psychrophile 10-25°C : Conditions dans une Fosse Septique Zone mésophile 30-40°C Zone thermophile 50-60°C ACIDITE pH optimal = proche de la neutralité = 6,5 – 7,5 Diminution du pH (accumulation d’acides ; empoisonnement par le Propionate) nocive pour les méthanigènes : pH bon indicateur du dysfonctionnement TOXIQUES (inhibiteurs, poisons) Ammoniac (NH3) : issu de la dégradation des protéines, amino-acides, urée Sulfure d’hydrogène (H2S) : issu de la réduction du sulfate et protéines sulfurées Rapide pour être économiquement acceptable dans une application industrielle : nécessité de chauffer le digesteur IV. LE PROCEDE… STRUCTURE DU PROCEDE Prétraitement des déchets Séparation, purification, broyage, mélange, dilution, etc. Digesteur anaérobie (bioréacteur, fermenteur…) Chauffage, mélange Valorisation énergétique du biogaz Chaleur, Electricité, Carburant, Gaz de cuisine Post-traitement du digestat Séparation liquide-solide, purification, maturation, conditionnement, etc. …PROCEDE MELANGE DILUTION STOCKAGE BROYAGE TRI CO-GENERATION CHAUDIERE STOCKAGE EPURATION (recyclage) (chauffage) DIGESTEUR COMPRESSION SEPARATION LIQUIDE-SOLIDE MATURATION EAU CHAUDE REFUS ELECTRICITE GAZ COMPOST FERTILISANT LIQ. DECHETS Digestat Biogaz IV.1. PRE-TRAITEMENT DES DECHETS… MELANGE DILUTION STOCKAGE BROYAGE TRI CO-GENERATION CHAUDIERE STOCKAGE EPURATION (recyclage) (chauffage) DIGESTEUR COMPRESSION SEPARATION LIQUIDE-SOLIDE MATURATION EAU CHAUDE REFUS ELECTRICITE GAZ COMPOST FERTILISANT LIQ. DECHETS Digestat Biogaz …PRE-TRAITEMENT DES DECHETS TRI-SEPARATION : Enlèvement des indésirables Tri manuel Technique magnétique ou courant de Foucault : Séparation des métaux Technique granulométriques et/ou densitométriques par voie sèche (tambour rotatif) et par voie humide (pulper ou mélangeur-décanteur) BROYAGE : Réduction de la taille des matières Hacheurs à marteaux, à couteaux, etc. Dilascérateurs (turbines tournant à grande vitesse) MELANGE-DILUTION : Homogénéisation et atteinte de viscosité souhaitée La dilution par apport d’eau dépend de la teneur en matière sèche initiale et la teneur souhaitée dans le digesteur IV.2. LE DIGESTEUR… MELANGE DILUTION STOCKAGE BROYAGE TRI CO-GENERATION CHAUDIERE STOCKAGE EPURATION (recyclage) (chauffage) DIGESTEUR COMPRESSION SEPARATION LIQUIDE-SOLIDE MATURATION EAU CHAUDE REFUS ELECTRICITE GAZ COMPOST FERTILISANT LIQ. DECHETS Digestat Biogaz …LE DIGESTEUR ANAEROBIE… TECHNOLOGIES DISPONIBLES Divers choix technologique f°(grande variété des déchets, différence d’appréciation des performances) Classement en f°de : Teneur en matières sèches Voie humide : 5-10% uploads/Management/ valo-ds 1 .pdf